CN115741672B - 一种基于刚体变换的dh推导方法 - Google Patents

一种基于刚体变换的dh推导方法 Download PDF

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CN115741672B CN202211294024.3A CN202211294024A CN115741672B CN 115741672 B CN115741672 B CN 115741672B CN 202211294024 A CN202211294024 A CN 202211294024A CN 115741672 B CN115741672 B CN 115741672B
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Abstract

本发明公开了一种基于刚体变换的DH推导方法，包括步骤1：将机械臂所包含的6个关节角度记为θ1、θ2、θ3、θ4、θ5、θ6,6个关节对应的连杆长度为固定长度，整个机械臂的运动由6个坐标变换构成，第i坐标变换矩阵由对应θi决定，θi表示两相邻连杆绕公共轴线的夹角；步骤2：使用仿真软件计算机械臂的关节长度、位置设定角度；建立DH连杆参数表；步骤3：DH推导转换，式中，表示第i‑1关节的坐标到第i关节的坐标的齐次变换；通过本发明的实施，可以充分体现出真实的效果，对路径规划和读取位置信息都能准确定位，提前仿真路径和避障，精准完成导航任务，模型建立完成后就可进行机械臂平滑运动，起到了突出性的进步，具有一定的使用价值和推广价值。

Description

一种基于刚体变换的DH推导方法
技术领域
本发明涉及机械臂运动推导方法技术领域，尤其涉及一种基于刚体变换的DH推导方法。
背景技术
分析机器人运动学，首先需要建立机器人各关节处坐标系，进而推导出基座坐标系与末端坐标系之间的位姿坐标关系，同时根据所建立的全局坐标系分析机器人运动学的正逆解方程；机器人的机械臂控制载体是机器人各系统、关节的载体，决定机器人性能的因素所在，如果结构产生错误会直接影响后续运行学的各种分析；因此机器人正逆运动学的推导对于合理的建立机器人坐标系就尤为重要，同时影响着机器人建模的精准度，所以亟需合理、高效的推导方法提高机器人建模的精准度。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于刚体变换的DH推导方法，旨在构建机器人工具坐标系相对其基座坐标系的位置姿态与各个关节输入角度的关系，根据坐标位置信息进行转换角度运行或者根据角度信息转换坐标位置信息进行转换的目的。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于刚体变换的DH推导方法，包括以下步骤：
步骤1：将机械臂所包含的6个关节角度记为θ1、θ2、θ3、θ4、θ5、θ6,6个关节对应的连杆长度为固定长度，整个机械臂的运动由6个坐标变换构成，第i坐标变换矩阵由对应θi决定，θi表示两相邻连杆绕公共轴线的夹角；
步骤2：使用仿真软件计算机械臂的关节长度、位置设定角度；建立DH连杆参数表；
步骤3：DH推导转换，式中，/>表示第i-1关节的坐标到第i关节的坐标的齐次变换，/>表示绕xi-1轴旋转ai-1(deg)角，ai-1(deg)表示两个相邻关节轴的夹角，/>表示绕Zi轴旋转θi角，/>表示沿xi-1轴平移距离ai-1(mm)，ai-1(mm)表示两个相邻关节轴公垂线的长度，/>表示沿Z轴平移距离di,di表示沿两个相邻连杆公共轴线方向的距离,由旋转矩阵和平移向量求出机械臂位姿；
步骤4：由末端姿态推算出关节角度，根据DH变换，获得其中包含了参数θ1，θ2，θ3，...θn，根据坐标末端执行姿态获得相对于基座坐标系o0x0y0z0的机械臂总的刚体变换矩阵记为/>记/>R由机械臂末端指向向量生成，p由机械臂末端坐标决定，在逆解问题中，R和P都为已知，另外基座坐标o0x0y0z0与J1坐标系o1x1y1z1定义出/>将/>从相对于基座的坐标系变换到相对于J1的坐标系，即/>由DH变换推导出来的包含参数的θ1，…θn的与根据末端姿态参数获得的/>完全相等，即：
步骤5：角度推导，如果向量在x0y0z0坐标系中的经度记为β，纬度记为α，将/>变换到/>
根据相似变换，
记cβ＝kz，
代入得到vθ＝versθ＝1-cθ，对于给定的旋转/>
RK,θ＝R-K,-θ；
步骤6：角度求解。
进一步的，所述步骤1中，机械臂末端坐标系相对基座坐标系的变换矩阵H＝A1(θ1)…An(θn)，单杆位姿表示：/>
3.根据权利要求1所述一种基于刚体变换的DH推导方法，其特征在于，所述步骤三中，基于
获取：
进一步的，所述步骤四，末端的位置定义了刚体变换矩阵中矩阵中的位移分量，末端的指向向量定义了刚体变换矩阵中的旋转矩阵。
进一步的，所述步骤5中，向量的长度是1，定义一个新的向量rvec＝(θkx,θky,θkz)T,即该向量的方向与/>一样，角度为θ，向量rvec三个则全部表达了三维坐标系的所有参数，并且，所述θ不等于0。
进一步的，所述步骤6包括以下步骤：
步骤6.1，求解θ1，θ5，θ6：
基本等式的(2,3)元素相等c1z2-s1z1＝-c5
基本等式的(2,4)元素相等c1p2-p1s1＝-d2-d4-c5d6
整理消去c5,获取s1(p1-z1d6)+c1(z2d6-p2)＝d2+d4
记A＝p1-z1d6；B＝z2d6-p2；r2＝A2+B2
获取θ1＝atan2((d2+d4),
将θ1代入s1(p1-z1d6)+c1(z2d6-p2)＝d2+d4
获取
基本等式的(2,1)元素相等c1x2-s1x1＝c6s5
基本等式的(2,2)元素相等c1y2-s1y1＝-s5s6
获取θ6＝atan2(±(s1y1-c1y2),±(c1y2-s1x1))；
步骤6.2，求解θ3，θ2：
由等式的(1,4)元素相等。
c1p1+p2s1-d5(c6(c1y1+s1y2)+s6(c1x1+s1x2))-d6(c1z1+s1z2)＝a3c2+a4(c2c3-s2s3)等式的(1,4)元素相等：
p3-d1-d6z3-d5(c6y3+s6x3)＝a3s2+a4(c2s3+c3s2)
X＝c1p1+p2s1-d5(c6(c1y1+s1y2)+s6(c1x1+s1x2))-d6(c1z1+s1z2)
Y＝p3-d1-d6z3-d5(c6y3+s6x3)
推出：
a3c2+a4c3＝X，
a3s2+a4s3＝Y
则
当上式中D的值不介于[-1,1],说明该解无效，需要舍弃；
将θ3带入a3c2+a4c3＝X，a3s2+a4s3＝Y，获取E＝(a3+a4c3)Y-a4s3 X，F＝(a3+a4c3)X+a4s3 Y，获取θ2＝atan2(E,F)；
步骤6.3，求解θ4：
由等式的(1,3)元素相等；
z3(c2c3+c3s2)+c1z1(c2c3-s2s3)+s1z2(c2c3-s2s3)＝c4s5，等式的(2,3)元素相等；
z3(c2c3-s2s3)-c1z1(c2s3+c3s2)-s1z2(c2c3+c3s2)＝s4s5
记：M＝z3(c2c3-s2s3)-c1z1(c2s3+c3s2)-s1z2(c2s3+c3s2)
N＝z3(c2s3+c3s2)+c1z1(c2c3-s2s3)+s1z2(c2c3-s2s3)
获取θ4＝atan2(±M,±N)。
本发明的实质性效果：通过推导正逆解，误差极小，建立模型可以充分体现出真实的效果，对路径规划和读取位置信息也都能够准确定位，采用把位姿信息转换成关节角度，那么采用关节角度运动，机械臂可以弧形运动，会在路径规划都可以很好的避障，运动也比较流畅；采用逆推进行转换成机械臂的关节角度，提前仿真路径以及避障，在路径规划前知道当前的坐标位姿和末端坐标位姿，精准完成导航任务，模型建立完成后就可以进行机械臂运行，把要运行的关节角度信息输入，就可以进行平滑运动。
附图说明
图1为本发明的正推过程数据流程示意图。
图2为本发明的逆推过程流程示意图。
图3为本发明的机械臂模型示意图。
图4为本发明的机械臂模型输入关节角度后的示意图。
具体实施方式
如图1、2、3、4所示，一种基于刚体变换的DH推导方法，包括以下步骤：
步骤1：将机械臂所包含的6个关节角度记为θ1、θ2、θ3、θ4、θ5、θ6,6个关节对应的连杆长度为固定长度，整个机械臂的运动由6个坐标变换构成，第i坐标变换矩阵由对应θi决定，θi表示两相邻连杆绕公共轴线的夹角；
机械臂末端坐标系相对基座坐标系的变换矩阵H＝A1(θ1)…An(θn)
单杆位姿表示：
步骤2：使用仿真软件计算机械臂的关节长度、位置设定角度；
建立DH连杆参数表：
Joint(i) ai-1(deg) ai-1(mm) θi(deg) di(mm)
1 0 0 θ1＝θ1 162.5
2 90 0 θ2＝θ2+180 137.5
3 0 425 θ3＝θ3 0
4 0 392.2 θ4＝θ4 -4.2
5 -90 0 θ5＝θ5 99.7
6 90 0 θ6＝θ6+180 99.6
步骤3：DH推导转换，式中，/>表示第i-1关节的坐标到第i关节的坐标的齐次变换，/>表示绕xi-1轴旋转ai-1(deg)角，ai-1(deg)表示两个相邻关节轴的夹角，/>表示绕Zi轴旋转θi角，/>表示沿xi-1轴平移距离ai-1(mm)，ai-1(mm)表示两个相邻关节轴公垂线的长度，/>表示沿Z轴平移距离di,di表示沿两个相邻连杆公共轴线方向的距离,由旋转矩阵和平移向量求出机械臂位姿；
基于
获取：
式中：
r11＝-c6(s1s5+c5(c4(c1s2s3-c1c2c3)+s4(c1c2s3+c1c3s2))-s6(c4(c1c2s3+c1c3s2)-s4(c1s2s3-c1c2c3))
r12＝s6(s1s5+c5(c4(c1s2s3-c1c2c3)+s4(c1c2s3+c1c3s2)))-c6(c4(c1c2s3+c1c3s2)-s4(c1s2s3-c1c2c3))
r13＝c5s1-s5(c4(c1s2s3-c1c2c3)+s4(c1c2s3+c1c3s2))
r21＝c6(c1s5-c5(c4(s1s2s3-c2c3s1)+s4(c2s1s3+c3s1s2)))-s6(c4(c2s1s3+c3s1s2)-s4(s1s2s3-c2c3s1))
r22＝-s6(c1s5-c5(c4(s1s2s3-c2c3s1)+s4(c2s1s3+c3s1s2)))-c6(c4(c2s1s3+c3s1s2)-s4(s1s2s3-c2c3s1))
r23＝-c1c5-s5(c4(s1s2s3-c2c3s1)+s4(c2s1s3+c3s1s2))
r31＝s6(c4(c2c3-s2s3)-s4(c2s3+c2s2))+c5c6(c4(c2s3+c3s2)+s4(c2c3-s2s3))
r32＝c6(c4(c2c3-s2s3)-s4(c2s3+c3s2))-c5s6(c4(c2s3+c3s2)+s4(c2c3-s2s3))
r33＝s5(c4(c2s3+c3s2)+s4(c2c3-s2s3)))
px＝a1+d6(c5s1-s5(c4(c1s1s3-c1c2c3)+s4(c1c2s3+c1c3s2)))-a4(c1s2s3-c1c2c3)-a5(c4(c1s2s3-c1c2c3)+s4(c1c2s3+c1c3s2))-d5(c4(c1s2s3+c1c3s2)-s4(c1s2s3-c1c2c3))+a2c1+d2s1+d3s1+d4s1-a6(s1s5+c5(c4(c1s2s3-c1c2c3)+s4(c1c2s3+c1c3s2)))+a3c1c2
py＝a6(c1s5-c5(c4(s1s2s3-c2c3s1)+s4(c2s1s3+c3s1s2)))-a4(s1s2s3-c2c3s1)-d6(c1c5+s5(c4(s1s2s3c2c3s1)+s4(c1c2s3+c1c3s2)))-a5(c4(s1s2s3-c2c3s1)+s4(c2s1s3+c3s1s2))-d5(c4(c2s1s3+c3s1s2)-s4(s1s2s3-c2c3s1))-d2c1-d3c1-d4c1+a2s1+a3c2s1
pz＝d1+a4(c2s3+c3s2)+a3s2+a5(c4(c2s3+c3s2)+s4(c2c3-s2s3))+d5(c4(c2c3-s2s3)-s4(c2s3+c3s2))+a6c5(c4(c2s3+c2s3)+s4(c2s3-s2s3))+d6s5(c4(c2s3+c3s2)+s4(c2c3-s2s3))
以上简写：si＝sinθi,ci＝cosθi
由于实际机械臂中a的取值只有0，±90，在公式推导中，直接计算出三角函数值带入，不再变化a，以下表达式中的ai表示ai-1,例a3表示连杆参数表中的joint(i＝3)中的a值425；
步骤4：由末端姿态推算出关节角度，根据DH变换，获得其中包含了参数θ1，θ2，θ3，…θn，根据坐标末端执行姿态获得相对于基座坐标系o0x0y0z0的机械臂总的刚体变换矩阵(末端的位置定义了刚体变换矩阵中矩阵中的位移分量，末端的指向向量定义了刚体变换矩阵中的旋转矩阵)记为/>记/>R由机械臂末端指向向量生成，p由机械臂末端坐标决定，在逆解问题中，R和P都为已知，另外基座坐标o0x0y0z0与J1坐标系o1x1y1z1定义出/>将/>从相对于基座的坐标系变换到相对于J1的坐标系，即/>由DH变换推导出来的包含参数的θ1，…θn的与根据末端姿态参数获得的/>完全相等，即：/>
步骤5：角度推导，如果向量在x0y0z0坐标系中的经度记为β，纬度记为α，将/>变换到/>
根据相似变换，
记cβ＝kz，
代入获取vθ＝versθ＝1-cθ，对于给定的旋转/>
RK,θ＝R-K,-θ；
向量的长度是1，定义一个新的向量rvec＝(θkx,θky,θkz)T，kx、ky、kz表示输入坐标位置，即该向量的方向与/>一样，角度为θ，由此，向量rvec三个则全部表达了三维坐标系的所有参数，并且，θ不等于0；
步骤6：角度求解；
步骤6.1，求解θ1，θ5，θ6：
基本等式的(2,3)元素相等c1z2-s1z1＝-c5
基本等式的(2,4)元素相等c1p2-p1s1＝-d2-d4-c5d6
整理消去c5,获取s1(p1-z1d6)+c1(z2d6-p2)＝d2+d4
记A＝p1-z1d6；B＝z2d6-p2；r2＝A2+B2
获取θ1＝atan2((d2+d4),
将θ1代入s1(p1-z1d6)+c1(z2d6-p2)＝d2+d4
获取
基本等式的(2,1)元素相等c1x2-s1x1＝c6s5
基本等式的(2,2)元素相等c1y2-s1y1＝-s5s6
获取θ6＝atan2(±(s1y1-c1y2),±(c1y2-s1x1))；
步骤6.2，求解θ3，θ2：
由等式的(1,4)元素相等。
c1p1+p2s1-d5(c6(c1y1+s1y2)+s6(c1x1+s1x2))-d6(c1z1+s1z2)＝a3c2+a4(c2c3-s2s3)等式的(1,4)元素相等：
p3-d1-d6z3-d5(c6y3+s6x3)＝a3s2+a4(c2s3+c3s2)
X＝c1p1+p2s1-d5(c6(c1y1+s1y2)+s6(c1x1+s1x2))-d6(c1z1+s1z2)
Y＝p3-d1-d6z3-d5(c6y3+s6x3)
推出：
a3c2+a4c3＝X，
a3s2+a4s3＝Y
则
当上式中D的值不介于[-1,1],说明该解无效，需要舍弃；
将θ3带入a3c2+a4c3＝X，a3s2+a4s3＝Y，获取E＝(a3+a4c3)Y-a4s3 X，F＝(a3+a4c3)X+a4s3 Y，获取θ2＝atan2(E,F)；
步骤6.3，求解θ4：
由等式的(1,3)元素相等；
z3(c2c3+c3s2)+c1z1(c2c3-s2s3)+s1z2(c2c3-s2s3)＝c4s5，等式的(2,3)元素相等；
z3(c2c3-s2s3)-c1z1(c2s3+c3s2)-s1z2(c2c3+c3s2)＝s4s5
记：M＝z3(c2c3-s2s3)-c1z1(c2s3+c3s2)-s1z2(c2s3+c3s2)
N＝z3(c2s3+c3s2)+c1z1(c2c3-s2s3)+s1z2(c2c3-s2s3)
获取θ4＝atan2(±M,±N)。
正推过程数据：使用ursim进行仿真数据进行测试
综上所述：测试误差坐标轴X、Y、Z小于0.01mm,姿态角RX、RY、RZ均小于0.01rad；
逆推过程数据：使用ursim进行仿真数据进行测试
综上所述：测试逆推误差角度小于0.01°。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于刚体变换的DH推导方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：将机械臂所包含的6个关节角度记为θ1、θ2、θ3、θ4、θ5、θ6,6个关节对应的连杆长度为固定长度，整个机械臂的运动由6个坐标变换构成，第i坐标变换矩阵由对应θi决定，θi表示两相邻连杆绕公共轴线的夹角；
步骤2：使用仿真软件计算机械臂的关节长度、位置设定角度；建立DH连杆参数表；
步骤3：DH推导转换，式中，/>表示第i-1关节的坐标到第i关节的坐标的齐次变换，/>表示绕xi-1轴旋转ai-1(deg)角，ai-1(deg)表示两个相邻关节轴的夹角，/>表示绕Zi轴旋转θi角，/>表示沿xi-1轴平移距离ai-1(mm)，ai-1(mm)表示两个相邻关节轴公垂线的长度，/>表示沿Z轴平移距离di,di表示沿两个相邻连杆公共轴线方向的距离,由旋转矩阵和平移向量求出机械臂位姿；
步骤4：由末端姿态推算出关节角度，根据DH变换，获得其中包含了参数θ1，θ2，θ3，…θn，根据坐标末端执行姿态获得相对于基座坐标系o0x0y0z0的机械臂总的刚体变换矩阵记为/>记/>R由机械臂末端指向向量生成，p由机械臂末端坐标决定，在逆解问题中，R和P都为已知，另外基座坐标o0x0y0z0与J1坐标系o1x1y1z1定义出 将/>从相对于基座的坐标系变换到相对于J1的坐标系，即/>由DH变换推导出来的包含参数的θ1，…θn的与根据末端姿态参数获得的/>完全相等，即：/>
步骤5：角度推导，如果向量在x0y0z0坐标系中的经度记为β，纬度记为α，将/>变换到
根据相似变换，
记cβ＝kz，
代入获取vθ＝versθ＝1-cθ，
对于给定的旋转
RK,θ＝R-K,-θ；
步骤6：角度求解。
2.根据权利要求1所述一种基于刚体变换的DH推导方法，其特征在于，所述步骤1中，机械臂末端坐标系相对基座坐标系的变换矩阵H＝A1(θ1)...An(θn)，单杆位姿表示：/>
3.根据权利要求1所述一种基于刚体变换的DH推导方法，其特征在于，所述步骤三中，基于
获取：
4.根据权利要求1所述一种基于刚体变换的DH推导方法，其特征在于，所述步骤四，末端的位置定义了刚体变换矩阵中矩阵中的位移分量，末端的指向向量定义了刚体变换矩阵中的旋转矩阵。
5.根据权利要求1所述一种基于刚体变换的DH推导方法，其特征在于，所述步骤5中，向量的长度是1，定义一个新的向量rvec＝(θkx,θky,θkz)T,即该向量的方向与/>一样，角度为θ，向量rvec三个则全部表达了三维坐标系的所有参数，并且，所述θ不等于0。
6.根据权利要求1所述一种基于刚体变换的DH推导方法，其特征在于，所述步骤6包括以下步骤：
步骤6.1，求解θ1，θ5，θ6：
基本等式的(2,3)元素相等c1z2-s1z1＝-c5
基本等式的(2,4)元素相等c1p2-p1s1＝-d2-d4-c5d6
整理消去c5,获取s1(p1-z1d6)+c1(z2d6-p2)＝d2+d4
记A＝p1-z1d6；B＝z2d6-p2；r2＝A2+B2
获取
将θ1代入s1(p1-z1d6)+c1(z2d6-p2)＝d2+d4
获取
基本等式的(2,1)元素相等c1x2-s1x1＝c6s5
基本等式的(2,2)元素相等c1y2-s1y1＝-s5s6
获取θ6＝atan2(±(s1y1-c1y2),±(c1y2-s1x1))；
步骤6.2，求解θ3，θ2：
由等式的(1,4)元素相等。
c1p1+p2s1-d5(c6(c1y1+s1y2)+s6(c1x1+s1x2))-d6(c1z1+s1z2)＝a3c2+a4(c2c3-s2s3)等
式的(1,4)元素相等：
p3-d1-d6z3-d5(c6y3+s6x3)＝a3s2+a4(c2s3+c3s2)
X＝c1p1+p2s1-d5(c6(c1y1+s1y2)+s6(c1x1+s1x2))-d6(c1z1+s1z2)
Y＝p3-d1-d6z3-d5(c6y3+s6x3)
推出：
a3c2+a4c3＝X，
a3s2+a4s3＝Y
则
当上式中D的值不介于[-1,1],说明该解无效，需要舍弃；
将θ3带入a3c2+a4c3＝X，a3s2+a4s3＝Y，获取E＝(a3+a4c3)Y-a4s3X，F＝(a3+a4c3)X+a4s3Y，获取θ2＝atan2(E,F)；
步骤6.3，求解θ4：
由等式的(1,3)元素相等；
z3(c2c3+c3s2)+c1z1(c2c3-s2s3)+s1z2(c2c3-s2s3)＝c4s5，等式的(2,3)元素相等；
z3(c2c3-s2s3)-c1z1(c2s3+c3s2)-s1z2(c2c3+c3s2)＝s4s5
记：M＝z3(c2c3-s2s3)-c1z1(c2s3+c3s2)-s1z2(c2s3+c3s2)
N＝z3(c2s3+c3s2)+c1z1(c2c3-s2s3)+s1z2(c2c3-s2s3)
获取θ4＝atan2(±M,±N)。
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